(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成で、氷点下環境における電解質膜の損傷を阻止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と冷却媒体供給装置１８とを備える。冷却媒体供給装置１８は、ラジエータ６０を備え、燃料電池１２とラジエータ６０との間には、冷却媒体を循環させるための循環流路６２が設けられる。循環流路６２には、ラジエータ６０をバイパスする第１分岐流路６６が接続される。循環流路６２と第１分岐流路６６との合流部位には、サーモ弁７０が配置されるとともに、サーモ弁７０をバイパスする第２分岐流路７２が設けられる。コントローラ２０は、燃料電池システム１０の停止時に燃料電池１２の内部で生成水が凍結するおそれがあると判定した際に、ポンプ６４を逆方向に駆動させる。【選択図】図１
2010282929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化学的に反応して電気エネルギを得る燃料電池と、
前記燃料電池に冷却媒体を供給して該燃料電池の温度調整を行う冷却媒体供給装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記冷却媒体供給装置は、ラジエータと、
前記燃料電池と前記ラジエータとの間で前記冷却媒体を循環させる循環流路と、
前記循環流路上に配置され、前記冷却媒体を正逆両方向に送出自在なポンプと、
前記循環流路に設けられ、前記ラジエータをバイパスする第１分岐流路と、
前記循環流路と前記第１分岐流路との合流部位に配置され、前記燃料電池の環境温度に応じて、前記循環流路の流量と前記第１分岐流路の流量とを調整する流量調整弁と、
前記循環流路に設けられ、前記流量調整弁をバイパスする第２分岐流路と、
前記第２分岐流路に設けられる逆止弁と、
温度センサの検出温度に基づいて、前記燃料電池の停止時に該燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあると判定した際に、前記ポンプを逆方向に駆動させる制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記逆止弁は、前記ポンプが逆方向に駆動された際にのみ、前記冷却媒体の流れを許容することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記第１分岐流路には、前記ポンプが正方向に駆動された際にのみ、前記冷却媒体の流れを許容する逆止弁が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化学的に反応して電気エネルギを得る燃料電池と、前記燃料電池に冷却媒体を供給して該燃料電池の温度調整を行う冷却媒体供給装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
上記の燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成水が発生している。このため、燃料電池が氷点下で使用される際には、前記燃料電池の発電停止時に、生成水の凍結を防止する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、冷媒循環系に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部と、該冷媒貯留部からの冷媒の前記燃料電池への供給を制御する貯留冷媒供給制御部とを備え、前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の掃気処理前あるいは掃気処理時に前記冷媒貯留部から冷媒を前記燃料電池に供給している。
【０００６】
これにより、特許文献１では、電気ヒータ等を用いることなく、発電停止後も燃料電池を掃気処理に好適な温度に維持することができるため、エネルギ消費を抑制しつつ、掃気処理による燃料電池の水分除去を効率よく行うことができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１８１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池の発電停止時に掃気処理を行っても、ＭＥＡ内部の水分を完全に除去することが困難である。このため、氷点下環境では、燃料電池の発電停止後に、ＭＥＡ内部に残存する水分が凍結し、氷が成長することによって前記ＭＥＡ、特に高分子イオン交換膜が損傷するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、氷点下環境における電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化学的に反応して電気エネルギを得る燃料電池と、前記燃料電池に冷却媒体を供給して該燃料電池の温度調整を行う冷却媒体供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１１】
冷却媒体供給装置は、ラジエータと、燃料電池と前記ラジエータとの間で冷却媒体を循環させる循環流路と、前記循環流路上に配置され、前記冷却媒体を正逆両方向に送出自在なポンプと、前記循環流路に設けられ、前記ラジエータをバイパスする第１分岐流路と、前記循環流路と前記第１分岐流路との合流部位に配置され、前記燃料電池の環境温度に応じて、前記循環流路の流量と前記第１分岐流路の流量とを調整する流量調整弁と、前記循環流路に設けられ、前記流量調整弁をバイパスする第２分岐流路と、前記第２分岐流路に設けられる逆止弁と、温度センサの検出温度に基づいて、前記燃料電池の停止時に該燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあると判定した際に、前記ポンプを逆方向に駆動させる制御部とを備えている。
【００１２】
また、逆止弁は、ポンプが逆方向に駆動された際にのみ、冷却媒体の流れを許容することが好ましい。
【００１３】
さらに、第１分岐流路には、ポンプが正方向に駆動された際にのみ、冷却媒体の流れを許容する逆止弁が配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の停止時に、前記燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあると判定されると、ポンプが逆方向に駆動される。このため、冷却媒体は、循環流路を逆方向に流れる。その際、冷却媒体は、流量調整弁をバイパスして第２分岐流路を流れるため、前記流量調整弁に影響されることがなく、ラジエータに導入される。従って、冷却媒体は、ラジエータを介して外部雰囲気と熱交換して良好に冷却され、燃料電池を急速冷却することができる。
【００１５】
しかも、流量調整弁は、冷却媒体が逆流される際には、使用されていない。このため、流量調整弁として、比較的高価な３方電磁弁等を用いる必要がなく、簡単且つ経済的な構成で、氷点下環境における電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムにおける外気温度と燃料電池内部温度との関係図である。
【図３】冷却媒体の流量制御の説明図である。
【図４】前記冷却媒体を逆流させる際の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスが電気化学的に反応して電気エネルギを得る燃料電池１２と、前記燃料電池１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池１２に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池１２に冷却媒体を供給して該燃料電池１２の温度調整を行う冷却媒体供給装置１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御部）２０とを備える。
【００１８】
燃料電池１２は、通常、複数積層されることにより燃料電池スタックを構成する。各燃料電池１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード側電極２４とアノード側電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備え、前記電解質膜・電極構造体２８が一対のセパレータ３０ａ、３０ｂで挟持される。
【００１９】
カソード側電極２４及びアノード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２０】
電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ａとの間には、カソード側電極２４に酸化剤ガスを供給するカソードガス流路３２が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ｂとの間には、アノード側電極２６に燃料ガスを供給するアノードガス流路３４が形成される。互いに隣接する燃料電池１２を構成するセパレータ３０ａ、３０ｂ間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路３６が形成される。
【００２１】
燃料電池１２の積層方向一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスをカソードガス流路３２に供給するための酸化剤ガス入口連通孔３８ａと、前記酸化剤ガスを前記カソードガス流路３２から排出するための酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと、水素含有ガス等の燃料ガスをアノードガス流路３４に供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａと、前記燃料ガスを前記アノードガス流路３４から排出するための燃料ガス出口連通孔４０ｂとが形成される。
【００２２】
燃料電池１２の積層方向一端部には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体を冷却媒体流路３６に供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａと、前記冷却媒体を前記冷却媒体流路３６から排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂとが形成される。
【００２３】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するコンプレッサ４４を備え、前記コンプレッサ４４が空気供給流路４６に配設される。空気供給流路４６は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路４８を備える。この空気排出流路４８には、コンプレッサ４４から空気供給流路４６を通って燃料電池１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能なバルブ（背圧制御弁）４９が設けられる。
【００２４】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素供給流路５２を介して燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。水素供給流路５２には、エゼクタ５４が設けられる。
【００２５】
燃料ガス供給装置１６は、燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通するオフガス流路５６を備える。オフガス流路５６には、水素循環路５８が連通する。エゼクタ５４は、水素タンク５０から供給される水素ガスを、水素供給流路５２を通って燃料電池１２に供給するとともに、前記燃料電池１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路５８から吸引して、再度、前記燃料電池１２に燃料ガスとして供給する。
【００２６】
冷却媒体供給装置１８は、ラジエータ６０を備え、燃料電池１２と前記ラジエータ６０との間には、冷却媒体を循環させるための循環流路６２が設けられる。循環流路６２上には、モータ６３の正逆回転作用下に冷却媒体を正逆両方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）に送出自在なポンプ６４が設けられる。なお、ラジエータ６０に近接して、電動ファン６５を配設してもよい。
【００２７】
循環流路６２には、ラジエータ６０をバイパスする第１分岐流路６６の両端が接続される。循環流路６２と第１分岐流路６６との合流部位には、燃料電池１２の環境温度に応じて、前記循環流路６２の流量と前記第１分岐流路６６の流量とを調整するサーモ弁（流量調整弁）７０が配置される。
【００２８】
循環流路６２には、サーモ弁７０をバイパスする第２分岐流路７２の両端が接続されるとともに、前記第２分岐流路７２には、第１逆止弁７４ａが配置される。第１逆止弁７４ａは、ポンプ６４が逆方向に駆動された際にのみ、冷却媒体の矢印Ｂ方向の流れを許容する。
【００２９】
第１分岐流路６６には、ポンプ６４が正方向に駆動された際にのみ、冷却媒体の流れを許容する第２逆止弁７４ｂが配設される。コントローラ２０は、温度センサ７６ａ、７６ｂの検出温度（特に、外部温度検出用の温度センサ７６ａの検出温度）に基づいて、燃料電池１２の停止時に前記燃料電池１２の内部で生成水が凍結するおそれがあると判定した際に、ポンプ６４を逆方向に駆動させる。
【００３０】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
酸化剤ガス供給装置１４を構成するコンプレッサ４４が駆動されると、空気供給流路４６を通って燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに空気が供給される。この空気は、各燃料電池１２のカソードガス流路３２に沿って移動した後、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路４８に排出される。
【００３２】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク５０に貯留されている高圧の水素が、水素供給流路５２に導出され、エゼクタ５４を通って燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。この水素ガスは、アノードガス流路３４に沿って移動した後、燃料ガス出口連通孔４０ｂからオフガス流路５６に導出される。オフガス流路５６では、水素循環路５８を介して未使用の水素ガスを含む排ガスがエゼクタ５４に吸引され、燃料電池１２に燃料ガスとして供給される。
【００３３】
従って、電解質膜・電極構造体２８では、カソード側電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６に供給される水素（燃料ガス）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３４】
また、冷却媒体供給装置１８では、モータ６３の回転作用下にポンプ６４が正方向に冷却媒体を送出する。この冷却媒体は、燃料電池１２の冷却媒体入口連通孔４２ａから冷却媒体流路３６に供給される。冷却媒体流路３６を通って燃料電池１２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔４２ｂから循環流路６２に排出される。
【００３５】
循環流路６２では、冷却媒体の温度が比較的高温である際には、サーモ弁７０の作用下に、第１分岐流路６６に比べて多量の冷却媒体をラジエータ６０に供給する。このため、冷却された冷却媒体は、燃料電池１２に供給されて、前記燃料電池１２の温度を低下させる。
【００３６】
また、冷却媒体の温度が比較的低温である際には、サーモ弁７０の作用下に、第１分岐流路６６を流通する冷却媒体流量が、ラジエータ６０を流通する冷却媒体流量よりも多く設定される。従って、冷却媒体の温度が上昇され、燃料電池１２の温度が所望の温度範囲内に調整される。
【００３７】
次いで、コントローラ２０では、温度センサ７６ａを介して燃料電池システム１０の運転環境温度を検出するとともに、温度センサ７６ｂを介して燃料電池１２の内部温度を検出している。そして、コントローラ２０は、温度センサ７６ａから得られる検出温度に基づいて、燃料電池システム１０の運転が停止された際に、燃料電池１２の内部の生成水が凍結するか否かを判断するとともに、急速冷却制御を行うか否かの判断を行う。
【００３８】
具体的には、燃料電池システム１０の運転が停止されると、冷却媒体供給装置１８では、ポンプ６４が正方向に駆動されて燃料電池１２に冷却媒体が循環供給される。そこで、コントローラ２０が、温度センサ７６ａからの検出温度により外気温度が所定温度以下、例えば、マイナス１０℃以下であると判断すると、急速冷却制御に移行する。
【００３９】
急速冷却制御では、図４に示すように、モータ６３が逆回転され、ポンプ６４を介して循環流路６２を冷却媒体が逆流れ方向（図４中、矢印参照）に送出される。このため、冷却媒体は、サーモ弁７０をバイパスする第２分岐流路７２に導入され、第１逆止弁７４ａを通ってラジエータ６０に供給される。上記の通り、第２逆止弁７４ｂの作用によって、第１分岐流路６６には冷却媒体の流れが発生しない。ラジエータ６０により外気と熱交換して冷却された冷却媒体は、循環流路６２を逆方向に移動し、燃料電池１２の冷却媒体出口連通孔４２ｂから冷却媒体流路３６に供給される。
【００４０】
この場合、上記の急速冷却制御時には、冷却媒体は、サーモ弁７０をバイパスするため、このサーモ弁７０による流量調整機能が遮断される。従って、所望量の冷却媒体をラジエータ６０に供給することができ、前記冷却媒体を迅速に冷却することが可能になる。従って、図２及び図３に示すように、外気温が所定温度（例えば、０℃）以下になった際に、時間Ｔ１から時間Ｔ２まで、ポンプ６４を逆回転させる。これにより、冷却媒体は、ラジエータ６０及び必要に応じて電動ファン６５の作用下に急速冷却されるため、前記冷却媒体を燃料電池１２に循環させることにより、前記燃料電池１２は、例えば、０℃からマイナス１０℃以下の温度に急速に冷却される。
【００４１】
このため、燃料電池１２で、０℃近傍から緩やかに冷却される場合にみられる、燃料電池１２内の生成水が凍結しつつ氷結晶の成長が進行するという現象が起こらず、固体高分子電解質膜２２の破損を可及的に阻止することができる。
【００４２】
これにより、本実施形態では、燃料電池システム１０の停止時に、燃料電池１２の内部で生成水が凍結するおそれがあると判断されると、ポンプ６４が逆方向に駆動されて、冷却媒体が循環流路６２を逆方向に流れる。その際、冷却媒体は、流量調整弁であるサーモ弁７０をバイパスして第２分岐流路７２を流れ、ラジエータ６０で外気と熱交換して急速に冷却されるため、燃料電池１２を一挙に冷却することが可能になる。
【００４３】
しかも、サーモ弁７０は、冷却媒体が逆流される際には使用されていない。従って、燃料電池１２内部での生成水凍結のおそれがある場合の通常とは異なる弁動作を実現させるため、流量調整弁として比較的高価な３方電磁弁等を用いる必要がない。従って、簡単且つ経済的な構成で、氷点下環境における固体高分子電解質膜２２の損傷を可及的に阻止することができるという効果が得られる。その上、通常時にはサーモ弁７０を用いることにより、通常運転時の消費電力が有効に削減されるという利点がある。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置              ２０…コントローラ
２２…固体高分子電解質膜            ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極                ２８…電解質膜・電極構造体
３０ａ、３０ｂ…セパレータ          ３２…カソードガス流路
３４…アノードガス流路              ３６…冷却媒体流路
４４…コンプレッサ                  ５０…水素タンク
５４…エゼクタ                      ６０…ラジエータ
６２…循環流路                      ６３…モータ
６４…ポンプ                        ６６…分岐流路
７０…サーモ弁                      ７２…分岐流路
７４ａ、７４ｂ…逆止弁              ７６ａ、７６ｂ…温度センサ
【図１】
2010282929.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010282929.tif 000005
【図４】
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